什么是激光散斑

最佳答案:

由于具有非接触，无创伤，快速成像等优点，激光散斑成像技术非常适用于血液微循环的测量。使用激光散斑技术可以测量血管管径，血管密度，血液流速和血流灌注等微循环参数。通过考察微循环血管的结构，微循环功能以及代谢活动，可以研究炎症、水肿、出血、过敏、休克、肿瘤、烧伤、冻伤、放射损伤等基本病理过程中微循环改变的规律及其病理机制，对疾病诊断，病情分析和救治措施都具有重要的意义。

详情介绍

由于具有非接触，无创伤，快速成像等优点，激光散斑成像技术非常适用于血液微循环的测量。使用激光散斑技术可以测量血管管径，血管密度，血液流速和血流灌注等微循环参数。通过考察微循环血管的结构，微循环功能以及代谢活动，可以研究炎症、水肿、出血、过敏、休克、肿瘤、烧伤、冻伤、放射损伤等基本病理过程中微循环改变的规律及其病理机制，对疾病诊断，病情分析和救治措施都具有重要的意义。

中文名

激光散斑

外文名

laser speckle

专业

成像技术

激光散斑背景简介

早在十七世纪，许多科学家就已研究过斑纹现象。

1730年牛顿已经注意到"恒星闪烁"而行星不闪烁，光源发出的光被随机介质散射在空间形成的一种斑纹 。

十九世纪后期，发现的散射光现象有牛顿漫射环；适度相干光被覆盖有小颗粒的玻璃片衍射时产生的夫琅和费衍射环；

在二十世纪初劳厄完整地描述了夫琅和费衍射环内发现的斑纹图案的统计特性，包括二阶概率密度函数和强度自相关函数的推导等。1960年世界出现了激光器，高度相干性的激光照在粗糙表面很容易看到这种图样，散斑携带大量有用信息。随着激光的发明和使用，激光散斑现象逐渐得到科学家和激光使用者的认识和关注。在激光应用的早期，激光散斑现象被认为是对光学系统的一种干扰，它严重影响了成像时的分辨能力。科学家们尝试使用时间和空间部分相干光照明，使用有限孔径和移动孔径时间平均等方法来减弱散斑现象。然而没过多久，科学家们就开始研究散斑的特有性质，同时发展激光散斑技术的实践应用

散斑在工程技术方面等各方面有广泛的应用。散斑的理论是统计光学的一部分，与光的相干理论在很多地方相似和相通。激光散斑在信息处理、天文物理、工业测量和生命科学等领域都有广泛的应用。比如，利用定向散斑或散斑的多次曝光作为信息存储方法，使用调制斑纹图样的光学处理来研究物体的位移，物体表面粗糙程度测量，物体振动和运动测量，光学系统校准，星体斑纹干涉度量，微循环血流和灌注率测量，血小板聚合检测和荧光散斑显微镜应用等。

激光散斑散斑的成因和类型

当相干光从粗糙表面反射或从含有散射物质的介质内部后向散射或透射时，会形成不规则的强度分布，出现随机分布的斑点。粗糙表面和介质中散射子可以看作是由不规则分布的大量面元构成，相干光照射时，不同的面元对入射相干光的反射或散射会引起不同的光程差，反射或散射的光波动在空间相遇时会发生干涉现象。当数目很多的面元不规则分布时，可以观察到随机分布的颗粒状结构的图案，这就是光通过散射介质和自由空间传播时形成的散斑（颗粒状结构斑点称为散斑）。

如果通过光学系统对散斑成像，图像中任意点的光强等于所有到达该点光波的波幅代数和。如果合成波幅为零，是因为所有单个的波相互抵消，在该点形成的一个暗的散斑图案，相反，如果所有到达该点的光波都是同相的，就会观察到一个最大亮度的散斑图案，而来自照明区域内不同点的光会对像面上的所有像点的散斑强度都有贡献。图 1 说明了成像散斑的形成，粗糙表面任意点的相干反射光波通过透镜后在像平面叠加。从图 2中可以清楚的看到氦氖激光（波长为 632.8 nm）照射在白纸上形成的典型的散斑分布图像，散斑图像是由明暗相间的单个散斑组成。散斑现象主要由可见的相干光形成，但应强调的是，在其它的电磁波谱区会出现此类现象。比如典型的例子有：人体器官超声影像时的散射现象，综合孔径雷达在微波谱区的散射现象以及 X 射线在液体中的散射等等。

激光散斑激光散斑测量

激光散斑和激光多普勒测量

从图 3 可知，激光散斑主要应用于微循环的血流监测，这是因为激光散斑测量法相对于放射性微球技术

、荧光示踪检测法和氢离子稀释等方法，具有非接触、无创伤、能对血流分布快速成像等优点。具有相同优点的另外一种光学检测技术——激光多普勒速度测量技术，是利用粒子散射光的强度波动引起的多普勒频移来测量散射子的速度，它可用于监控血流以及人体其它组织或器官的运动。激光多普勒技术用于测量血流速度的研究始于 20 世纪 70 年代，至今已经发展为成熟的医疗诊断工具。与激光多普勒技术不同的是，激光散斑是受激光照射物体产生的随机干涉效应的颗粒状图案。如果物体由单个移动散射体（如血细胞）组成，散射图案会有波动。这些波动包含了散射体运动变化的信息。尽管激光散斑技术看起来和激光多普勒技术大相径庭，一个是多普勒现象，一个是干涉现象，但是通过数学分析，这两种方法在最终的数学表达上是可以统一的。

激光散斑的统计特性

时变散斑是一种随机现象，只能使用统计学的方法分析，Goodman 为此提出了详细的理论解释和分析。其中的一个结论对激光散斑衬比成像技术非常重要，就是散斑图像的一阶统计特性。这里的一阶是指空间中一点散斑强度的统计特性，或者对时变散斑来说是时空的统计特性。对于光谱区内大多数实验，直接测量的是光波的强度；而对超声和微波谱区成像，可以直接测量场的幅度分布。因此，首先考虑散斑的随机复矢量振幅的统计特性，然后计算出散斑图像强度的一阶统计特性。

散斑的一阶统计描述了单点光强的涨落，如果需要了解散斑图像中光强从空间一点到另一点的快速变化，了解散斑的空间结构和散斑的尺寸，则需要进行散斑的二阶统计。散斑二阶统计的常用方法就是计算散斑强度分布的空间自相关函数和它的功率谱密度。

在静态散斑研究中，散斑光强自相关函数可以帮助了解散斑空间结构的统计性质。对动态散斑而言，静态散斑光强起伏的自相关函数概念可以推广为动态散斑光强起伏的空间－时间互相关函数。动态散斑的性质与散射物质的运动速度有关，因此可以使用动态散斑的二阶统计来测量散射物质的运动速度。在照明光（高斯光束束腰半径）、波面曲率半径等有关参数已确定的条件下，测得给定点的散斑光强波动，求出相关函数的相关时间（时间相关函数半宽）或相关长度（空间相关函数半宽），即可确定散射物质速度的大小。

使用空间频谱分析的方法也可以进行动态散斑测量。在此方法中，需要在光探测器前放置一个与运动方向垂直的单缝光栅，探测器探测的信号输入谱分析器，计算功率谱密度函数，一阶谱对应的频率与速度相关。如果物体运动的方向不可知，则需转动光栅考察输出功率谱的变化情况来判断其运动方向。

激光散斑激光散斑成像的应用

由于具有非接触，无创伤，在体快速成像等优点，激光散斑成像技术非常适用于微循环血流的测量。使用激光散斑技术可以测量血管管径，血管密度，血液流速和血流灌注量等微循环参数，结合血压、血气等生理监测仪器，可以用来研究血液、淋巴液及组织液的流变学特性。通过考察微循环血管的结构，微循环功能以及代谢活动，可以研究炎症、水肿、出血、过敏、休克、肿瘤、烧伤、冻伤、放射损伤等基本病理过程中微循环改变的规律及其病理机制，对疾病诊断，病情分析，救治措施和药物开发都具有重要的意义。图4展示了微循环的相关血流参数以及可应用的血流监测现象，通过这些参数和现象可以获取血液微循环的功能、结构和代谢信息。

在微循环血流监测中，激光多普勒技术已经非常成熟，激光多普勒血流仪也已完全商品化。理论上，目前激光多普勒血流监测的应用都可以为激光散斑血流成像技术所替代，并且后者具有高时间和空间分辨率的全场测量优势。

脑血流监测

研究表明，大脑神经元活动与局部脑血流变化存在紧密联系。Boas 研究小组率先使用激光散斑衬比成像监测脑血流（CBF: Cerebral Blood Flow）的时间和空间变化。他们通过对比激光散斑技术与激光多普勒技术的脑血流测量结果，验证了激光散斑血流监测技术的有效性；并使用该技术监测了皮层扩散抑制（CSD: CorticalSpreading Depression）时皮层和软脑膜的血流变化；Yodh 和 Luo 研究小组研究了对大鼠躯体功能刺激引起的脑血流变化，刺激强度与脑血流变化大小相关；结合内源光光谱成像和激光散斑成像技术，可以同时测量脑血流的血氧、血容和流速的变化；而结合荧光成像和激光散斑技术，可以测量脑血流和氧化代谢的动态变化。

肠系膜血流和淋巴流监测

肠系膜是一种极薄而透明的膜样组织，有简单且完整的微血管网，显微镜下能清楚看到微血管、淋巴管及腔内细胞的流动状态，因此，肠系膜是非常理想的微循环监测模型，适用于药物作用的研究。Tuchin 和 lyanov 等对肠系膜上的不同血管管径的微循环血流和淋巴流进行了在体监测；Cheng 等在肠系膜上滴加不同浓度的酚妥拉明溶液和去甲肾上腺素，观察微循环在药物作用下的时空响应特性，为临床研究药物的剂量安全性提供了一种新的测试方法。

皮肤微循环测量

皮肤的真皮层及皮下组织有丰富的微血管，除维持皮肤的营养供应外，还对体温调节起重要作用。研究皮肤的微循环有利于各类皮肤病，局部炎症、外伤、烧伤和冻伤等诊断和治疗。目前激光散斑应用于皮肤微循环的应用较少，Choi 观察了啮齿动物背部皮肤的表皮及表皮以下血流变化；Bray 比较了激光多普勒和激光散斑的皮肤微循环血流测量。激光多普勒技术在皮肤微循环测量中的应用非常广泛：Newton在糖尿病溃烂康复的植皮治疗中观察到在溃烂处底部的血流增加，反映出新生血管的增加；Gschwandtner 测量了缺血性溃烂的血流变化；对烧伤的评估发现，高血流灌注区域可以通过药物和保守治疗而恢复，低血流灌注区域则需要重新植皮；Quinn 用它来观察过敏接触的炎性反应和刺激反应；激光多普勒成像也被用于皮肤斑，恶性皮肤肿瘤的诊断。